智能电扇控制系统

智能电扇控制系统

摘 要

本设计以两片89C52单片机作为智能电扇控制系统的测量和控制核心。采用霍尔集成芯片测量电扇的转速，通过主从单片机之间的串行通信来完成电扇转速数据处置及转速控制，采用移相触发方式控制可控硅功率。用8279扩展键盘及双行LCD显示来实现人机交互，采用红外发射与接受装置来完成遥控功能。该系统风速调节范围宽、步进小、精度高，且风的舒适度良好，功率因数～。

一、方案设计与论证

1．

方案一：采用脉冲调制的红外发射——接收器。通过在电扇一边用红外管发射脉冲信号，另一边接收信号，在脉冲被挡和通过的情况下，接收端别离对应低电平和脉冲串，可检出此信号的包络，其频率的三分之一即相当于单位时间内接收到信号的次数，也即电扇的转速。但此方式接收到的脉冲会产生抖动，容易引发误判，从而致使处置接收信号次数出现较大误差，使电扇转速计算不准确，故不采用此方案。

方案二：采用霍尔集成传感器。霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、施密特触发器和输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化和较完善功能的磁敏传感器。将磁片贴在电扇叶上，将霍尔集成传感器固定在扇叶前的保护网上，由于霍尔效应，每当磁片通过传感器时，在输出端就会产生一个脉冲，对该输出脉冲计数，即可测出电扇转速。此输出信号明快，传送进程中无抖动现象，且功耗低，对温度的转变稳定，灵敏度与磁场移动的速度无关，用此方式测出的电扇转速较准确，故采用此方案。

风扇转速测量

2．

功率控制

功率控制通过可控硅电路来实现，其任务是通过调压来实现交流调功。通常，由可控硅实现交流调压的途径有两条：一是改变电压波形的导通角，称之为调相；另一个是波形不变而改变其电压波出现的次数，常称脉冲调功。就触发方式而言，前者为移相触发，后者为过零触发。

方案一：采用过零触发。此控制方式将可控硅导通的起始点限制在电源电压的过零点，可大大降低谐波分量。因此其最大的长处是不对电网造成严重污染和干扰其它设备，输出线性也较好，而且在硬件上只需加光电隔离或带光电隔离的固态继电器即可。但如果在本系统中采用过零触发，其缺点是显而易见的。过零触发方式中可控硅导通的最小时间单位是半个电源周期，也就是，若控制周期选取得较小，则电扇的转速范围将会受到限制；若控制周期选取较大，在转速较低时，可控硅截止的时间相对较长，会致使电扇转动不够流畅，转速很不稳定。

方案二：采用移相触发方式。移相触发的长处首先是输出相对地持续、均匀而调节精细，适合于要求高精度控制的场合；其次，调相输出的波形虽不“规整”但却正负半周对称，无直流成份，可直接用于电感负载。其最大缺点是大电流的切入会造成对电网的冲击，不规整的脉冲电流引发电网波形的畸变及对其它电设备的中频干扰。但这些缺点可通过硬件来取得改善。比如，采用交流电源滤波器，它不仅能阻止来自电网的噪声干扰进入电源，而且能阻止电源本身的噪声返回到电网。

通过上述比较，过零触发方式虽然实现起来相对容易，对外界干扰小，但电扇转速不流畅，必然影响风的舒适度。而对于电扇控制系统而言，舒适度是相当重要的。相反，采用方案二风的舒适度好，且风速调节范围很大、步进小、精度高，改良后，系统稳定也会较好。故咱们选用方案二来实现功率控制。

3． 普通风、自然风及睡眠风的实现

普通风即在每一个风速档风速不变；自然风即风速时大时小，从大风速开始减速，当减

到必然速度时再加速，通过合理调节风速转变来实现；睡眠风即逐渐减慢风速，当风速减到必然值时，停止减速。

4．输入方式方案

本系统需要实现风速调节、风型选择、按不时间选择及遥控开关等功能 ，功能较多，需较多按键，因此输入方式是决定该系统是不是方便利用的关键。

方案一：采用行列式键盘，利用8155扩展I/O口。但由于该系统所需键数很多，要占用较多的I/O口资源，且用非编码器键盘编程较麻烦，对于按键功能复用、重键及连击等情况较难处置。

方案二：采用扫描式键盘编码器芯片8279来实现。8279的键盘部份提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘相连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出所按的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实行保护，编程较简单。单片机按照不同键值进行相应处置。按照以上比较，选用8279扩展键盘方即靠得住，故采用方案二。

5．显示界面方案

本系统要能够切换显示电扇转速、输出风的种类、开机工作时间、剩余工作时间及累计工作时间等，要显示内容较多。

方案一：采用LED显示。LED只能显示超级有限的符号和数字，对于本系统如此复杂的功能是难以实现的。

方案二：采用双行字符式LCD显示器。可以用英文显示较为清楚的提示和数字，界面良

好。采用此方案来实现。

6．遥控操作功能实现

采用红外发射与接收技术。发射部份：将键盘代码经编码、调制后取得的信号通过红外发射管将电信号转换为光信号发射；接收部份：红外接收管将接收到的光信号转换为电信号，经放大滤波、解调和整型、解码后交单片机处置。

二：系统设计与实现

系统组成框图如图1－1所示。

220V 电源滤波 50Hz

过零检测电路

主 单 片 控制量 机

键盘 显示 转速数据

从 单片 机 功率调节电路 电风扇 转速测量电路

红外遥控 1．转速测量部份

采用霍尔集成传感器A44E，它体积很小，只有三个引脚，一个接VCC,一个接GND，另一个为输出端。将其固定在电扇的保护网上，在与其相对的扇叶上贴上磁片，每次扇叶转动磁片通过霍尔传感器时，由于霍尔效应， 在霍尔传感器的输出端就会产生一个脉冲，将该输出脉冲送到单片机的T0端计数，单位时间内脉冲的个数即为电扇的转速。但由于电扇的转速为0～600转/分钟，相当于每秒钟只有0～10个脉冲，频率很低，采用直接测频法会有较大误差。故采用测量周期法测量频率以减小误差。测量周期法即为在被测信号周期T内对单片机机械周期的内部脉冲计数。电路图如图1－2所示。D触发器74LS74实现脉冲频率到周期的转换。其Q端作为8952的 INT0输入，控制启动T/C0开始计数。当INT0变成低电平时，INT0的下降沿产生中断请求。在INT0的中断处置程序中，关闭T/C0,对计数结果进行处置 。为保证T/C0按时与频率脉冲的上升沿同步，在用TR0启动T/C0之前，应先用P1口将74LS74清零，脉冲上升沿时INT0变成高电平，启动按时器T/C0。

由于小系统板上的INT0被8259占用，故考虑外扩一片8952来完成测频部份的数据处置，并通过串口不断把频率字送给主8952。一些简单的功能也可由从片8952来完成，对主8952来讲，从片8952可以看成一片外设。

图1－2（频率——周期转换）

2．功率控制电路

功率控制部份包括光电隔离和可控硅控制电路．光电隔离级的作用是把强电和弱电信号进行隔离，消除输入回路中的噪声信号、共地杂波等对输出回路的信号干扰，以保证系统安全靠得住的运行。采用光电隔离器MOC3021, 其最大工作电压为240V，最大工作电流为15mA。

由从单片机Ｐ1口线输出的延时脉冲经光电隔离器，送至双向可控硅BTA12的控制级，控制可控硅的通断,从而改变电扇的输出功率．其电路如图1－3所示．

图1－3（光电隔离及可控硅电路）

3．过零脉冲形成电路

过零脉冲形成电路由变压器、过零比较器(LM311)和脉冲整形电路组成，其作用是在每一个电网的交流零点形成宽度必然的窄脉冲信号，此脉冲送至8952的INT0端产生中断信号。在电压信号的每一个周期，单片机接收到中断信号后即转入中断服务程序，按照控制量来肯定相应的延不时间，从而控制可控硅的功率。电路图如图1－4所示。

图1－4（过零脉冲检测电路）

这种过零检测电路可作为同步脉冲发生器，电路的输出为正极性单脉冲。LM311为比较器，设定基准电压为0进行比较，由于比较器开环增益很高，可以进行准确的零点检测。若是输入信号在零点周围有微小的干扰，则输出电压会出现相应的抖动，为使电路工作稳定，通常施加必然的滞后电压（正反馈）。比较器作为集电极开路输出时，其滞后电压由电阻R二、R3分压取得。滞后电压高，有利于工作稳定，但会增加误差，可在回路中增加去噪声的滤波器R一、C1。

4．键盘显示模块

由于该系统要求显示的内容较多，故选用双行液晶显示器，它体积小，功耗低，编程灵

活；采用8279扩展4×8键盘，利用灵活，人机交互界面良好。

5． 红外遥控模块

该部份框图如图1－5所示，电路图见附录。

键盘及其代码 编码 脉码调制振荡 红外发射

控制9

图1－5

发射部份：键盘及其代码产生电路产生9个控制信号，经10－4线优先编码器74HC147别离编成9个BCD码，再通过专用集成编码芯片MC145026将输入信号进行编码 。每次按键电阻R19与二极管D1～D9形成的发射控制电平/TE为低电平（），可作为编码电路的传输启动信号。当编码器的输入为低电平时，输出为两个窄脉冲；为高电平时，输出为两个宽脉冲；为高阻时输出为一个宽脉冲和一个窄脉冲。传输启动信号/TE为低电平时，MC145026按上述编码规律将输入地址及数据信号进行编码并输出串行数据。为了提高传输信号的抗干扰能

红外接收 解码 译码 控制1 力，需将编码信号调制在较高频率的载波上发射。采用CMOS门电路组成的脉冲调制振荡器，电路简单，调节载频为40KHz。将该脉冲放大后通过红外发射管。为增大发射功率，采用复合三极管对发射信号进行电流放大。

接收部份：由专用集成芯片CX20106组成红外接收电路，将红外接收管接收到的信号进行放大、限幅、滤波、解调和整型。再由解码芯片MC145026将解调后的串行数据进行解码，使其成为BCD控制码。将该码信号送到单片机，单片机按照判断码值执行相应的操作。

6． 电源滤波

电源滤波的目的是要使50Hz市电取得最佳传输，而使干扰远离最佳传输的谐振点。在此系统中，干扰主要源自可控硅开关工作不在电源的零点导通时，产生的浪涌电压和其它各类噪声。采用交流电源滤波器可以有效抑制这些干扰。交流电源滤波器的一般结构如图1－6所示。图中L1 、L2为共模扼流圈，具有抑制低频共模噪声的作用；电容C1具有抑制低频常模噪声的作用；旁路电容C2C3具有抑制高频共模和常模噪声的作用。

图1－6（电源滤波）

三：软件设计

软件部份要完成的功能为对风扇的转速进行测量与控制，因为风扇的转动频率较低，故采用测周法对其频率测量。首先用D触发器把由霍尔元件传出的频率脉冲转变成周期电平信号，输入INT0控制T0对机械周期的内部脉冲进行记数。为保证T0按时与频率脉冲的上升

延同步，应该用INT0来启动T0。由于小系统板上的INT0被8259占用，故考虑外扩一片8952来测频，并非断通过串口把频率送给主8952。一些简单的功能也可由从片8952来完成，对主8952来讲，从片8952可以看成一片外设。

1． 量转速程序流程图如图1－7所示。

T0方式1，计数，受INT0控制，清零

一次测频完成？ T1方式2，波特率定时 开始 系统初始化 T0启动，溢出中断允许，外部中断0允许，总允许 N

Y 计算转速，完成初始化为下次准备 通过串口发频率数据 先发低位再发高位

图1－7

2．控制部份由主单片机来完成，其程序流程图如图1－8所示。

控制思想：过零检测电路检测到的过零信号为与工频信号同频同相的单极性脉冲信号，该信号接到主8952的INT0端，在每一个下降沿产生中断信号。每一个周期主8952按照输入转速控制量进行延时，延不时间内可控硅不导通，延时后的剩余时间可控硅导通，驱动电扇工作直到下一个零点可控硅截止。在实际调试进程中，发现这样控制转速很不稳定。经仔细调试，观察到在相同转速控制量下，可控硅别离从正负周期开始导通时转速有较大调变。所以将每一个工频周期的正负周期分开控制，控制方式相同。硬件上，将取得的过零脉冲分两路别离通过一个单稳态触发器，一个设为上升沿触发，一个设为下降沿触发，即可在输出端取得两路窄脉冲信号，别离对应为输入信号的上升沿和下降沿，将这两路信号经一个或门合成一路信号，再将该信号作为主8952的中断触发信号，具体控制方式同上所述。

开始

键盘中断 过零中断 8259中断 串行中断

结束 改 计 变 算 转 定 速 时 控 初 制 值 量 启 装 动 下 电 次 风 定 扇 时 初 值 确 定 中 断 向 量 组 装 频 率 字 等待键盘中断 显示初始化，8259初始化 串行口初始化，8279初始化

四：指标测试

1． 测试仪器

示波器：Tektronix TDS1002 万用表：Fluke 17B 2． 指标测试

1） 转速测量 转速设定值 转/分钟 实测转速平均值 转/分钟 转速跳变值 转 五: